旋流燃烧器的花瓣稳燃器.pdf

本发明公开了一种在锅炉燃烧器中使用的旋流燃烧器的花瓣稳燃器，花瓣稳燃器为稳燃环，稳燃环的周面为波纹状周面。本发明能使煤粉及时着火、稳燃并能完善燃烧，尤其适合于低挥发分难燃的贫煤和无烟煤煤粉的稳定燃烧。当锅炉一次风粉气流跨过花瓣稳燃器吹入炉膛时，在花瓣稳燃器的背流面能建立起稳定而强烈的高温烟气回流区，并创造了回流高温烟气与风粉气流之间强烈的热质交换的条件。

1、  一种在锅炉燃烧器中使用的旋流燃烧器的花瓣稳燃器，其特征在于花瓣稳燃器为稳燃环(1)，稳燃环(1)的周面为波纹状周面。

2、  根据权利要求1所述的花瓣稳燃器，其特征在于稳燃环(1)的内周面为波纹状周面。

3、  根据权利要求1或2所述的花瓣稳燃器，其特征在于稳燃环(1)的外周面为波纹状周面。

4、  根据权利要求3所述的花瓣稳燃器，其特征在于稳燃环(1)为锥形环。

5、  根据权利要求1或2所述的花瓣稳燃器，其特征在于稳燃环(1)为锥形环。

旋流燃烧器的花瓣稳燃器
                          技术领域
本发明属于锅炉燃烧器技术领域，尤其涉及一种旋流燃烧器的花瓣稳燃器。
                          背景技术
稳燃是燃烧的基础，稳燃技术是煤粉燃烧器，特别是反应性能较差的低挥发分贫煤和无烟煤煤粉燃烧器，和低热值气体燃烧器设计的关键技术。对于低挥发分煤的燃烧，首先要解决迅速着火和稳燃问题。对于低挥发分贫煤和无烟煤，国内燃烧器的设计多不采用旋流燃烧器，在国内后者常用于燃烧挥发分较大的反应性能好的烟煤。但因贫煤和无烟煤在其他工业领域的应用受限，国内又多用于电站煤粉锅炉的燃烧，因此原设计应用燃烧烟煤的旋流燃烧器也常常不得不燃用低挥发分的贫煤和无烟煤，使着火和稳燃成为旋流燃烧器运行中必须解决的一个重要问题。国外，电站锅炉旋流燃烧器应用很广，主要燃烧烟煤，也有燃用贫煤和无烟煤的。国内外，对燃用贫煤和无烟煤(煤粉)的旋流燃烧器，设计过不少稳燃技术，但效果并不理想，主要情况如下：
1、气流旋转
旋流燃烧器的特点是气流旋转，以缩短火焰长度，避免燃烧火焰撞击对面炉墙，气流旋转可在燃烧器中心区域造成一定负压，形成炉内高温火焰的回流区(称内回流区或中心回流区)。内回流区是煤粉气流着火的主要热源。燃烧器的气流分一次风(带煤粉，也称一次风粉气流)和二次风(不带煤粉)，一次风在内层，二次风在外层。旋流燃烧器的二次风总是旋转的(旋流)，一次风可为旋流，也可为直流(不存在旋转)。
对于燃用贫煤和无烟煤的旋流燃烧器，一般采用二次风更强烈(与燃烧烟煤相比)的旋转，即采用更大的旋流强度，有时对一次风也施加旋转，企图造成更多的高温烟气回流，以加快难燃贫煤和无烟煤的着火燃烧。
但气流的旋转强度过大，会加速一、二次风之间的混合；一次风的旋转更使一次风中的煤粉颗粒快速向二次风扩散，反而会推迟煤粉气流的着火，因此，仅采取加强气流旋转的措施不能解决贫煤和无烟煤的稳定燃烧问题。
2、扩锥结构
在煤粉气流出口(进入炉膛处)加装扩流锥(类似于钝体结构)，在扩流锥的背流面形成负压，可造成炉内高温烟气向燃烧器的回流，以加快煤粉气流的加热和着火。扩流锥的形式多种多样，对于无中心风管的煤粉燃烧器，扩流锥固定在燃烧器中心杆上；对于有中心风管的燃烧器，扩流锥固定在中心风管上；国外另一种扩流锥为多层锥形圈，也称多层盘式稳燃器。
对于难燃煤粉，为增加高温烟气的回流，采用较大的扩流锥的锥角。但角度较大的扩流锥，一方面增加了气粉流中的煤粉与扩锥面的撞击，撞击后失去动能的煤粉颗粒，将从气粉流中分离出来，未烧完就掉落到锅炉的冷灰斗中，形成不完全燃烧损失；另一方面造成刚吹入炉膛的一次风粉气流向外扩散，与二次风过快混合，而影响煤粉的着火。
因此，扩锥结构也不能很好地解决贫煤和无烟煤的稳定燃烧问题。
3、叶片式(螺旋桨式)稳燃器
这些技术多存在于进口锅炉中，在一次风中靠近风粉气流出口处插入叶片式或螺旋桨式稳燃器，可造成一次风粉气流旋转，其作用其实与一次风旋转的其他方法类同。
4、浓淡煤粉燃烧器—煤粉浓缩器
在锅炉中浓煤粉比淡煤粉容易着火，因此采用煤粉浓缩器使一部分风粉气流浓缩成浓煤粉，有利于煤粉着火和稳燃。浓缩煤粉的方法很多，主要浓缩原理为离心分离(浓缩)和惯性分离(浓缩)。不过现有浓淡煤粉燃烧器有其缺点，即容易造成结渣。
径向浓淡旋流煤粉燃烧器是专为贫煤和无烟煤设计的某专利技术。其关键设备为一次风管中加装了浓淡分离器，这是一种径向浓淡分离器。一次风粉气流流经惯性浓淡分离器时，在分离器内外形成两股一次风粉的环形气流，内部环形气流煤粉较浓和较粗(浓相)，外环气流因惯性挡板的阻拦使煤粉较细和较淡(淡相)。设计者的意图是使浓相煤粉气流在进入炉内后首先接触炉内高温的回流烟气，并很快着火燃烧，然后点燃淡相煤粉气流。为了增加炉内高温烟气的回流，在一次风管出口采用角度较大(角度为40°)的扩流锥(这是设计贫煤和无烟煤旋流燃烧器常采取的方法)。这一技术在一些贫煤和无烟煤锅炉中的实施结果，并未能改善锅炉燃烧的稳定性，炉渣和飞灰含碳量也较高，不完全燃烧热损失较大。
这一技术的缺陷是，在煤粉气流进入炉膛时浓淡两股气流很快混合，在扩流锥的引导下又过快地与二次风混合。而避免一次风粉气流与二次风过快混合则是贫煤和无烟煤稳定着火燃烧的重要前提。
5、齿环形(齿形)稳燃器
这一技术也存在于进口锅炉中，在一次风管中加装齿环形或齿形稳燃器是许多进口锅炉用于稳定燃烧的技术。齿形或齿环形稳燃器有装在一次风粉气流外缘的，也有装在内缘的。齿或齿环稳燃器由一圈小齿(或再加一圆环)组成。其目的是在齿的背流面形成许多小涡流，以稳定煤粉气流的着火。附着在一次风粉气流外侧的齿形或齿环形稳燃器形成的回流区，处于一、二次风之间的环形区域，回流区地温度不高，仅靠这一回流区难于稳定煤粉的着火燃烧，但它有适当阻止一次风与二次风过早混合和阻挡煤粉(特别是粗煤粉)向二次风扩散的趋势，还可以让适量煤粉颗粒进入高温内回流区，对煤粉稳燃有一定作用；附着在一次风内侧的齿形或齿环形稳燃器有助于高温烟气的回流，对煤粉气流的着火燃烧有一定作用。
齿形和齿环形稳燃器的主要缺点，一是齿太小，其在背流面所形成的小涡流可能不稳定，稳燃效果不显著，二是齿和齿环均非流线形，流动阻力大，容易遭受煤粉气流的磨损，寿命短。
                            发明内容
本发明提供一种能使煤粉及时着火、稳燃并能完善燃烧的旋流燃烧器的花瓣稳燃器，本发明尤其适合于低挥发分难燃的贫煤和无烟煤煤粉的稳定燃烧。
本发明采用如下技术方案：
一种在锅炉燃烧器中使用的旋流燃烧器的花瓣稳燃器，花瓣稳燃器为稳燃环，稳燃环的周面为波纹状周面。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
稳定的高温烟气回流区及回流高温烟气与温度较低的一次风粉气流的强烈热质交换是风粉气流迅速着火和稳定燃烧的关键。
当锅炉一次风粉气流跨过花瓣稳燃器吹入炉膛时，在花瓣稳燃器的背流面能建立起稳定而强烈的高温烟气回流区，并创造了回流高温烟气与风粉气流之间强烈的热质交换的条件。
(1)花瓣稳燃器出口端面的周界长，达到中心风管的2.5～4.0倍，是扩口、扩锥无法相比的(后者最多只能达到中心风管的1.5～1.6倍)，说明高温回流烟气与风粉气流之间的接触边界很大，有利于两者之间的热质交换，而且高温烟气回流区又靠近花瓣稳燃器的出口端面，故一次风粉气流升温快，着火早。
(2)花瓣稳燃器能形成包括了中心回流区，径向回流区等特殊流场，加速了流经花瓣稳燃器的一次风粉气流和高温回流烟气之间的混合，这是风粉气流加热升温快，着火早的另一个原因。
(3)花瓣稳燃器的存在，把厚度很大的环状一次风粉气流分割为除一较薄层的环状外，还有6～12片(内置式花瓣稳燃器)或10～18片(外置式花瓣稳燃器)片状气流，片状气流被回流高温烟气两面加热，容易着火，薄层和片状风粉气流着火后燃烧速度快，煤粉燃烧较彻底。片状和薄层环状气流互不分割，连成一体，气流稳定性不受影响。
(4)花瓣稳燃器的存在在其背流面形成多种回流区。除中心回流区外，在每片花瓣的背流面还有一个径向回流区和一对轴向回流区，这些高温烟气回流区成了风粉气流迅速着火和稳定燃烧的热源。
(5)花瓣的特殊形状和每片花瓣后径向回流区的存在，可促使一次风粉气流中一部分煤粉颗粒进入高温回流区，并可在回流区内循环一定时间。煤粉颗粒在回流区内燃烧，既可提高回流区中烟气的温度(这对贫煤和无烟煤燃烧特别重要)，又延长了煤粉颗粒在炉内的燃烧时间，使燃烧较完全。
(6)花瓣稳燃器本身为流线型，流动阻力小，且气粉流的磨损较轻，使用寿命长。
花瓣内置式和花瓣外置式的花瓣稳燃器还各有不同的特点：
(1)内置式扩锥状花瓣稳燃器处于风粉气流的内侧，还起到风粉浓缩作用。当风粉气流进入(稳燃器的)花瓣区域时，由于花瓣拱门尺寸的变化，风粉气流中有一部分煤粉颗粒转入瓣谷区域，使流经瓣谷的风粉气流中煤粉较多(浓相)，流经瓣峰以外区域的风粉气流较淡(淡相)。浓相风粉气流被高温回流烟气两面加热，着火较快，符合煤粉浓淡分离原则。
(2)内置式缩扩状花瓣稳燃器，其特点与扩锥状类似。缩扩状花瓣稳燃器形成的中心回流区比扩锥状稍小，煤粉浓缩程度也稍差。但与扩锥状相比，它也有特点：第一，由于瓣谷沿气流方向逐渐“收缩”(瓣谷连成假想圆的直径逐渐减小)，其出口端面的周界长度可以比扩锥状做得更长，也就是说，可以更大地增加风粉气流与高温回流烟气的接触边界，有利于两者之间的热质交换；第二，风粉气流中部分煤粉颗粒会更早地沿瓣谷进入中心回流区，并在那里燃烧放出热量。
(3)装在一次分管内壁的缩锥状花瓣稳燃器(外置式)处在风粉气流外侧(即装在一次风与二次风之间的环状区域)，外置式花瓣稳燃器的瓣数要比内置式的瓣数多。外置式的优点是可防止风粉气流向外扩散(当风粉气流向外扩散时，煤粉颗粒会过早与二次风混合而不利于煤粉的着火燃烧)，并引导部分风粉气流向中心线靠拢。对于外置式的缩锥状花瓣稳燃器，在每一(每片)花瓣的背流面形成一个回流区。因此，在一次风与二次风之间的环状空间有许多回流区。在这种回流区中，回流流体的温度比内置式花瓣稳燃器形成的回流区要低，但它有阻止二次风过早与风粉气流混合的作用，有利于减少风粉气流着火热和降低NOx的生成量；在缩锥状的引导下，还可有部分煤粉颗粒进入中心回流区。在一次风采用旋转气流时，配置外置式缩锥状稳燃器特别重要，因为当风粉气流旋转时，离心力使煤粉颗粒趋向气流外侧(靠近一次风管内壁)，若不装设外置式花瓣稳燃器，煤粉颗粒将向外(即向二次风一侧)扩散，与二次风会混合过早而影响(推迟)煤粉的着火。装设外置式缩锥状稳燃器后，防止了煤粉颗粒的向外扩散，还有部分煤粉颗粒折向流向中心回流区，并在那里着火燃烧并放出热量。
普通旋流燃烧器(带扩流锥)的流场如图13所示。图13中速度较高的外围气流为主流(风粉气流)，中心回流区被外围主流所包围。中心回流流体，在回流至燃烧器附近时，速度减慢，一部分折向并作180°转弯，另一部分回流至扩流锥内部再转弯。回流流体折向后沿回流区的外边缘与主流(风粉气流)作平行流动。两种平行流动流体之间的混合和热质交换，主要是依靠两流体之间分界面上流体的脉动作为动力，但脉动速度比主流速度低很多，几乎差两个数量级，因此，热质交换和混合强度很低。也就是说，对于这种燃烧器高温回流烟气对风粉气流的加热速率较慢，风粉气流进入炉膛后着火较迟。
带花瓣稳燃器的旋流燃烧器在瓣峰剖面上的流场如图14所示。瓣峰以外的外围区域为风粉主气流，中心回流区也是被外围主流所包围。与带扩流锥的普通燃烧器不同的是，在每片花瓣的背流面，存在明显的径向回流区，而且径向回流区的流体与中心回流区融合在一起。中心回流流体在回流至燃烧器附近时折向，在花瓣的背流面作径向流动，而且径向速度较高，在瓣峰附近与风粉气流主流体混合。径向流体与轴向流体的混合强度要比两种方向相同的平行流动的流体大得多。所以，对于装有花瓣稳燃器的旋流燃烧器，高温回流烟气被径向回流区源源不断地输送给从燃烧器进入炉膛的风粉气流，使其迅速着火并稳定燃烧。
附图说明：
图1～5为内置式扩锥状花瓣稳燃器的示意图，其中：
图1为花瓣稳燃器的立体图；图2为花瓣稳燃器侧向剖面图；
图3为花瓣稳燃器图2的右视图；
图4为沿风粉气流方向(即沿进口端面向出口端面方向)，稳燃器的周界由圆形向花瓣形过渡的过程中，瓣峰假想圆的直径与瓣谷假想圆的直径均逐渐增加的花瓣稳燃器侧向剖面图；
图5为花瓣稳燃器图4的右视图。
图6～7为内置式缩扩状花瓣稳燃器的示意图，其中：
图6为侧向剖面图；
图7为花瓣稳燃器图6的右视图。
图8～12为外置式缩锥状花瓣稳燃器的示意图，其中：
图8为花瓣稳燃器的立体图；
图9为花瓣稳燃器侧向剖面图；
图10为花瓣稳燃器图9的右视图；
图11为沿风粉气流方向，稳燃器的周界由圆形向花瓣形过渡的过程中，瓣峰假想圆的直径与瓣谷假想圆的直径均逐渐减小的花瓣稳燃器侧向剖面图；
图12为花瓣稳燃器图11的右视图。
图13为普通旋流燃烧器(带扩流锥)的流场图。
图14为带花瓣稳燃器的旋流燃烧器的流场图。
图15为带内置式花瓣稳燃器的示意图，A为花瓣稳燃器。
图16为带外置式花瓣稳燃器的示意图，A为花瓣稳燃器。
                          具体实施方案
一种在锅炉燃烧器中使用的旋流燃烧器的花瓣稳燃器，花瓣稳燃器为稳燃环1，稳燃环1的周面为波纹状周面，本发明可以使稳燃环1的外周面呈波纹状周面，也可以使稳燃环1的内周面呈波纹状周面，或使稳燃环1的内外周面均呈波纹状周面，在本实施例中，稳燃环1的内周面为波纹状周面，稳燃环1的外周面为波纹状周面，稳燃环1为锥形环。
本发明的关键技术为花瓣稳燃器，它可与现有带中心风管的旋流燃烧器兼容。
花瓣稳燃器为一环状结构。它有两个端面，其中进口端面的边界为圆形，以便和中心风管或一次风管相连接，其尺寸(直径)取决于中心风管或一次风管尺寸(直径)；与中心风管相连接的花瓣稳燃器称内置式，又分扩锥状和缩扩装；与一次风管相连接的花瓣稳燃器称外置式，为缩锥状。另一个端面为面向炉膛火焰的出口端面，其边界皱折成波形，从正面看呈花瓣状。内置式花瓣稳燃器花瓣的瓣数一般为6～12瓣，各瓣谷连成的假想圆的直径Φ1，一般为中心风管直径dc的0.8～1.2倍，即Φ1＝(0.8～1.2)dc；在出口端面上，各瓣峰连成的假想圆的直径Φ2，一般为dc的1.3～2.5倍，即Φ2＝(1.3～2.5)dc。沿风粉气流方向，该稳燃器的周界由圆形向花瓣形过渡，瓣峰假想圆的直径逐渐增加，直至出口端面达到Φ2＝(1.3～2.5)dc。因此，在出口端面上，花瓣周界的尺寸达到中心风管尺寸(пdc)的2.5～4.0倍。对于外置式花瓣稳燃器，花瓣瓣数一般为10～18瓣，瓣峰连成的假想圆的直径Φ2，一般与一次风管的内径d1相同，即Φ2＝d1；在出口端面上，瓣谷连成的假想圆Φ1，一般为d1的0.5～0.85，即Φ1＝(0.5～0.85)d1。花瓣稳燃器装在中心风管出口端或一次风管出口端，可以采用如下方式安装：内置式花瓣稳燃器可直接焊在中心风管出口端，也可套在中心风管出口端外表面上再焊接；外置式花瓣稳燃器可直接焊在一次风管出口端，也可套在一次风管出口端内表面上再焊接。花瓣稳燃器也可以用于无中心风(即中心管为一次风粉气流)的旋流燃烧器，它可焊在处于一次风管中心的中心杆的出口端。